張永超，趙錄懷，徐 微

（1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西西安710018；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安710049）

碳纖維是國民經(jīng)濟(jì)與國防軍工的重要戰(zhàn)略物資，屬于技術(shù)密集型關(guān)鍵材料，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸普及。在當(dāng)今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化[1]。碳纖維發(fā)熱線由碳纖維編繞而成，發(fā)熱線具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)小、電熱轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、使用壽命長，并且具有安全性能好、綠色環(huán)保、能夠耐2 000 ℃高溫等特點(diǎn)，且具有良好的導(dǎo)電性能[2-4]。在使用過程中電磁輻射波為零，不易斷裂、氧化、脫落，且更換方便[5]。21世紀(jì)，碳纖維發(fā)熱體替代金屬發(fā)熱體將成為一種必然的趨勢(shì)[6-8]。

綜合現(xiàn)有參考文獻(xiàn)，僅有少量對(duì)碳纖維發(fā)熱線的發(fā)熱特性進(jìn)行研究。本文對(duì)常用的兩種規(guī)格、不同長度碳纖維發(fā)熱線進(jìn)行了溫升試驗(yàn)，研究了溫度、電流、電壓和溫升時(shí)間的變化規(guī)律，其研究成果將為碳纖維的應(yīng)用提供工程參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文主要研究常用的兩種規(guī)格發(fā)熱線在空氣中工作時(shí)的溫度、電流、電壓和溫升時(shí)間的變化規(guī)律，為此，設(shè)計(jì)了兩類試驗(yàn)。

（1）在額定電壓220 V下，測(cè)量其溫度、電流、電壓和溫升時(shí)間的變化規(guī)律。

（2）在200、220、240 V 電壓下，測(cè)量其溫度和溫升時(shí)間的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)材料及儀器

3K（3 000 根）的鐵氟龍（碳纖維發(fā)熱線的包皮）碳纖維發(fā)熱線，長度分別是4、5、6 m；6K的硅膠（碳纖維發(fā)熱線的包皮）碳纖維發(fā)熱線，長度分別是6、7、8 m；三相交流調(diào)壓器其型號(hào)為TDGC2-3KVA；福祿克（FLUKE）F62MAX 紅外測(cè)溫儀，測(cè)量溫度范圍-30～5 000 ℃，萬用表型號(hào)為FY890D。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

（1）額定電壓220 V 下其最高溫度、電阻、功率和溫升時(shí)間。在環(huán)境溫度為23.1 ℃的空氣中給3K 型4 m發(fā)熱線通電，利用F62MAX測(cè)量發(fā)熱線的表面溫度，每0.5 min 計(jì)錄1 次溫度計(jì)數(shù)據(jù)，溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)記錄萬用表電流，通電10 min 后斷電，得到第一組數(shù)據(jù)。進(jìn)行下次試驗(yàn)時(shí)，絲束至少斷電1 h 待完全冷卻后進(jìn)行，重復(fù)第一次試驗(yàn)10 次，得到10 組200 個(gè)數(shù)據(jù)，剔除粗大誤差后求平均值，其他發(fā)熱線與3K-4 m發(fā)熱線試驗(yàn)方法相同。發(fā)熱線的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，總功率按照U2/R計(jì)算，溫升時(shí)間為溫度從通電到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時(shí)間。

由表1 可知，對(duì)于同一型號(hào)的發(fā)熱線，長度和電阻、溫升時(shí)間成正比，和最高溫度、功率成反比。

表1 220 V電壓發(fā)熱線試驗(yàn)結(jié)果

（2）測(cè)量碳纖維發(fā)熱線最高溫度時(shí)的電流。溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)記錄萬用表電流數(shù)據(jù)，測(cè)量10 次，剔除粗大誤差，求其平均值。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，同一規(guī)格不同長度碳纖維發(fā)熱線電流的變化小于0.01 A。因此，本文只列3K-4 m和6K-6 m伏安特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線如圖1所示，發(fā)熱線長度和電流的關(guān)系式如表2所示，x代表碳纖維發(fā)熱線供電電壓，y代表碳纖維發(fā)熱線最高溫度時(shí)的電流。由表2 和圖1 可知，碳纖維發(fā)熱線最高溫度時(shí)的伏安特性近似呈線性分布。

圖1 3K-4 m、6K-6 m最高溫度時(shí)的伏安特性曲線

表2 3K-4 m、6K-6 m最高溫度時(shí)的伏安特性關(guān)系

（3）測(cè)量碳纖維發(fā)熱線在不同電壓下工作，時(shí)間和溫度變化規(guī)律。在環(huán)境溫度為23.1 ℃的空氣中給發(fā)熱線通電，分別在200，220，240V 下工作，測(cè)量3K-4 m、3K-5 m、3K-6 m，6K-6 m、6K-7 m、6K-8 m時(shí)間和表面溫度變化規(guī)律。利用F62MAX 測(cè)量某一個(gè)發(fā)熱線的表面溫度，每0.5 min計(jì)錄1次溫度計(jì)數(shù)據(jù)，通電10 min后斷電，得到第一組數(shù)據(jù)。進(jìn)行下組試驗(yàn)時(shí)，絲束至少斷電1 h完全冷卻后進(jìn)行，重復(fù)上一組試驗(yàn)10次，得到某一個(gè)碳纖維發(fā)熱線10 組共200 個(gè)數(shù)據(jù)，剔除粗大誤差后求平均值，其他發(fā)熱線也采用相同的試驗(yàn)方法。數(shù)據(jù)擬合曲線如圖2 碳纖維發(fā)熱線電壓、溫度與時(shí)間變化規(guī)律，同時(shí)得到各碳纖維發(fā)熱線電壓、溫度與時(shí)間關(guān)系如表3所示。

表3 鐵氟龍?zhí)尖F維發(fā)熱線3K-4 m不同電壓下溫升與通電時(shí)間關(guān)系

由MATLAB 擬合函數(shù)可知擬合的可信度為95%，具有較高的精度。在實(shí)際工作中，可以根據(jù)升溫需要，計(jì)算通電時(shí)間，以便于電腦自動(dòng)控制，也有利于節(jié)約能源，降低成本。表中的x代表通電時(shí)間，y代表升高溫度。

圖2 碳纖維發(fā)熱線電壓、溫度與時(shí)間變化規(guī)律

3 結(jié) 語

（1）同一型號(hào)的碳纖維發(fā)熱線，長度和最高溫度、功率成反比，和電阻、溫升時(shí)間成正比。

（2）得到了碳纖維發(fā)熱線溫度、電流、電壓、溫升時(shí)間的變化規(guī)律，其研究成果將為碳纖維的應(yīng)用提供工程參考。

（3）實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，要根據(jù)所在區(qū)域的環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮，并可通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)控輸出功率和溫度。